【专访】 高性能工程塑料为汽车电动化“保驾护航”

2021-4-19 11:40 293 0 来自: 中国汽车材料网
简介
高性能工程塑料为汽车电动化“保驾护航”媒体专访:帝斯曼工程材料全球高级工程开发经理于斌【汽车材料网】2021 Chinaplas期间,帝斯曼工程材料推出了“探索之旅”线上虚拟展台。其中汽车(包括一般汽车应用市场和新 ...
 高性能工程塑料为汽车电动化“保驾护航”

媒体专访:帝斯曼工程材料全球高级工程开发经理于斌


【汽车材料网】2021 Chinaplas期间,帝斯曼工程材料推出了“探索之旅”线上虚拟展台。其中汽车(包括一般汽车应用市场和新能源汽车)占比极大,凸显了帝斯曼在该领域的雄心。帝斯曼工程材料全球高级工程开发经理于斌,接受媒体专访,与大家分享了改进工程塑料如何助力汽车电气化,以下是专访的精彩内容:

 


汽车电动化的不可逆性

“在各个国家和地区分别提出碳中和愿景的大背景下,我们看整个汽车行业的发展,并聚焦中国,2030年中国禁止纯燃油车销售,电动化是一个不可逆的趋势。相对于传统燃油车,汽车电气化的各种形式和深度,无论是混动、插电混动、纯电还是燃料电池,都离不开高压电池包,高压控制系统,逆变器,DC-DC转化器,电机等重要的功能性部件。帝斯曼专注于汽车的三电系统和燃料电池系统,所提供的PBT、PA66、PPS、PPA-ForTii®等材料,在目前主流主机厂,如大众、通用、特斯拉、小鹏、蔚来、理想、比亚迪、上汽、广汽、北汽、长城等品牌上都有应用。”于斌开门见山。

相对于传统燃油车中,电气系统(48V内的弱电)主要用于信号的传输,发动机启停,整车的控制等;而在电气化的过程中,对电的使用方式发生了改变,需要使用电能去驱动整个车辆,并且随着电压(数百伏特)和电流(数百安培)的升高,对工程塑料的要求和挑战也完全不同于传统燃油车。帝斯曼在汽车电气化中,针对性地研究了材料的电气绝缘性能在车辆不同工况下的变化,给设计工程师们提供了很好的工程数据,以便开发更可靠,更优异的电动车。在高温老化后,材料在不同工况下的电绝缘性,表面抗起弧性(CTI),以及塑料与金属复合注塑中机械老化及开裂,帝斯曼都有很深入的研究,并可以提供全套的解决方案。

在电动化的路径中,大致有两大类,一是依靠锂离子电池(如三元锂电,磷酸铁锂等)驱动;二是依靠燃料电池(氢燃料电池或甲醇重整燃料电池)驱动。如对比纯电车和燃料电池车,纯电车的电机效率在95%以上,其他损失大约20%,因此锂电驱动效率大约为75%。而燃料电池车效率只有约55%,纯电车的能量转化效率比燃料电池高,但是为什么燃料电池车辆目前受到如此多的关注?


燃料电池系统的必要性

目前的燃料电池技术路线有很多种,最受关注的大致有“两种”,一是氢燃料电池;二是甲醇重整燃料电池。

在重载运输中,纯电池驱动系统存在极大的电池重量、续航里程和超长的充电时间等明显缺点。随着容量的增加,电池重量也明显增加,导致每公斤货物的运输成本升高,使得纯电池技术不太适合商务运输业。与其在车辆中装载沉重的电池,不如利用燃料电池直接在车上产生所需能量。制造锂电池的关键原材料锂及钴,有很大的产地集中性,极可能受到地缘政治的影响,但氢气可实现区域内生产,现有加油站也很容易改造成燃料电池的加氢站。

在大型商用车、重卡、远洋货轮等领域的电动化过程中,将三元锂电、磷酸铁锂或其他电池形式与燃料电池系统作对比:锂电系统能量密度平均在160到240wh/kg,8级重卡跑600公里,需要装载1200到1300千瓦时的电池,如此大的电池包,其重量平均值为7~7.5吨;而燃料电池系统的整体重量会轻很多,如配置双电堆和双电机的系统,总重量大约在1.5吨左右,这是燃料电池的重量优势。另外一个优势,重卡电池包体积和电量都很大,即使在双枪快充(250KW以上)的模式下,也需要数小时才能充满,对于重载运输,充电时间是个很大的问题。而燃料电池加氢时间,和传统柴油车差不多,十分钟左右可以完成。这是燃料电池的时间成本优势。

与纯电池技术相比,燃料电池具有以下优势:氢气加注时间和续航里程与内燃机相当(在一定输入功率下,燃料电池的续航能力是柴油或汽油发动机的2.3倍),没有沉重的额外电池负荷,性能表现受天气影响极小。除此之外,水是氢燃料电池系统的唯一副产物,对碳中和社会的构建有积极意义。氢能是一个理论上可以实现全产业链绿色的能源形式,所以目前国家对燃料电池车越来越重视,中石化、中石油等传统燃油巨头,以及各大重载运输车辆生产商,也是基于这个原因,大力推动燃料电池产业化。


质子交换膜燃料电池(PEMFC)受到欢迎

在燃料电池技术中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)越来越受欢迎。它在效率和排放之间取得了良好的平衡:工作温度低、启动时间短,并且可使用纯氢作为燃料和普通环境空气作为氧化剂。

回到材料本身,大部分的燃料电池着重在氢燃料电池。于斌表示,帝斯曼区别于其他材料公司一个重要的特点是:在材料开发的过程中,帝斯曼的出发点是深入研究整个系统的机理、工况、运行模式,以及在制造和生产中的问题,并从这些深入的研究中,抽取出材料上需要做什么改进,以最大程度上保证系统的长期寿命和效率。概括性来说,燃料电池大部分在70~90摄氏度工况工作,100%湿度、弱酸性环境,对材料的长期水解,离子析出率有很高的要求。另外,对材料纯净度的定义并不是在空气中,而是考量在燃料电池工况中,材料是否会有其他物质析出;商用车、重卡,工作时长15,000小时起,对材料长期工况下的抗水解性、老化后疲劳性、耐蠕变性,材料的纯净度,是否会析出离子,什么样的离子,离子对催化剂、对气体扩散层、对质子交换膜有什么样的影响,帝斯曼都有全工况测试数据和计算模型,这些数据和模型可以帮助客户缩短产品开发周期,并且做到“一次就对”!

从可靠性角度,特别是在抗离子浸出、耐水解以及相应的长期机械性能方面,目前所使用的材料仍多有不足,而其中一种解决方法是开发专门的PPS化合物,以生产高效可靠的电池。帝斯曼专门针对燃料电池的特点,开发了全系列的材料,这些材料具有业内最低的离子析出率,最高的耐水解性和长期水解后的抗蠕变性,远远高于PPA、PA66等工程塑料。

最后,于斌指出,传统燃油车,电的使用方式是信号控制和传输;而电动车,电是驱动,是高压电,它不仅涉及动力问题,更涉及到安全问题。材料在工况下,老化机理、电热老化机理、机械性能、疲劳性能、在有离子的污染环境下耐电弧起痕能力,所有性能测试研究都要基于实际工况。我们研究所有的实际工况,分析材料在高温工况下,不同媒介下,电气老化、热老化性能的机理。我们去理解客户的应用要求到底是什么,转化为材料的语言,通过我们很多深入的研究数据,最后转化到我们的材料配方。“这些研究和材料上的突破,对于电动车领域理解的深度,帝斯曼在行业内是领先的。”

福利时间

扫码可下载帝斯曼《推进燃料电池,打造新型汽车》白皮书。



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